一種可用于海水淡化的水凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海水淡化的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可用于海水淡化的水凝膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]淡水資源在地表分布具有不均衡性和有限性，我國尤其明顯。海水的儲水量非常豐富，但是海水卻不能直接供人和農(nóng)作物等生物使用。因此海水淡化是解決淡水短缺的一個有效途徑?，F(xiàn)行的海水淡化技術(shù)有20多種，包括正反滲透、多級閃蒸、電滲析法、露點蒸發(fā)法以及利用核能、太陽能海水淡化技術(shù)等。但是這些方法都有成本過高的缺點，限制了海水淡化技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。同時現(xiàn)行的技術(shù)往往需要大型的設(shè)備，在某些突發(fā)性、小規(guī)模情況的應(yīng)用中具有局限性。
[0003]水凝膠是一類高分子聚合物的簡稱，這類聚合物具有輕度交聯(lián)、可吸水卻不溶于水的特點。經(jīng)過干燥后的水凝膠具有極強的吸水性，其吸水量和吸水速率都是驚人的。澳大利亞莫納什大學(xué)Amir Razmjou等人以一種負載納米氧化鐵顆粒的水凝膠為載體，在磁場和加熱共同作用的情況下，通過利用水凝膠的強吸水性為含氯化鈉濃度為3.5wt%海水通過半透膜提供驅(qū)動力，進而達到提高海水淡化水回收率的目的。隨后，Amir Razmjou等人的團隊又報告了一種通過雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠從海水中提取淡水的方法。該團隊通過凝膠本身的吸水性以及利用太陽能照射凝膠層使海水穿過半透膜進入凝膠層中，進而釋放出淡水。但是這些方法都是利用半透膜對海水進行實質(zhì)性的脫鹽處理，水凝膠在其中只是起到一個提供驅(qū)動力和提高水回收率的作用。而且上述的方法在操作中需要磁場加熱或達到一定強度的太陽能照射，都對該技術(shù)應(yīng)用的便捷性產(chǎn)生了不利的影響。德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的Johannes Hopfner等人的團隊曾用聚丙稀酸鈉吸收氯化鈉溶液，通過擠壓水凝膠得到擠出液并測試其氯化鈉濃度，當(dāng)原水濃度為35g/L NaCl溶液時，脫鹽率僅為25%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可用于海水淡化的水凝膠及其制備方法。本發(fā)明無需利用半透膜對海水進行淡化處理，通過利用水凝膠自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，達到淡化海水的目的。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)原理如下:
本發(fā)明所用的水凝膠可以用甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)或者丙烯酸鈉(SA)作為單體合成的均聚物或共聚物。當(dāng)然可用于合成可淡化海水的水凝膠的單體并不局限于此，具備碳碳雙鍵和酯基的丙烯酸酯類、甲基丙烯酸酯類單體都滿足要求。
[0006]在水凝膠的結(jié)構(gòu)中，水是造孔劑。不同含水量的水凝膠其內(nèi)部孔穴結(jié)構(gòu)的形狀與大小也不同。本發(fā)明所采用的水凝膠孔徑在0.1 μπι?20μπι之間。這個孔徑范圍可以保證水凝膠有較強的吸水性，同時對于海水中離子所形成的離子水合物有一定的過濾作用。此外水凝膠吸水、脫水有良好的可逆性，因此在控制合適的操作條件下，用于淡化海水的水凝膠可以多次重復(fù)利用，起到了節(jié)能環(huán)保的作用。
[0007]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種可用于海水淡化的水凝膠，所述水凝膠是由含有親水基團和碳碳雙鍵的單體通過碳碳雙鍵聚合而成的一種聚合物；所述聚合物的交聯(lián)度為0.01?0.2 ;所述單體占水凝膠的質(zhì)量為5wt%?50wt%。
[0008]優(yōu)選地，所述單體為甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酸鈉、甲基丙烯酸酯類和丙烯酸酯類化合物中的一種以上。
[0009]優(yōu)選地，所述的甲基丙烯酸酯類包括甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸(2-羥基乙氧基)乙酯、甲基丙烯酸甲氧基乙酯、甲基丙烯酸(2-甲氧基乙氧基)乙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、甲基丙烯酸-2-乙氧基乙酯(EEMA)中的一種以上。
[0010]優(yōu)選地，所述的丙烯酸酯類包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羥乙酯、丙烯酸甲氧基乙酯中的一種以上。
[0011]優(yōu)選地，所述水凝膠是由一種單體聚合而成的均聚物，或是由兩種以上單體聚合而成的共聚物；所述水凝膠孔徑為0.1 μπι?20 μπι。
[0012]一種可用于海水淡化的水凝膠的制備方法，由單體、造孔劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑合成，其具體步驟為:將單體、造孔劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑混合均勻，得到混合物料，然后轉(zhuǎn)移到模具中，先在20°C?30°C溫度下聚合2?3小時，隨后升溫繼續(xù)聚合直到聚合完全，得到可用于海水淡化的水凝膠。
[0013]上述方法中，所述交聯(lián)劑為乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)和1，5-己二烯-3，4- 二醇(DVG)的一種或以上，交聯(lián)劑與單體的物質(zhì)的量之比為0.01 ?0.2o
[0014]上述方法中，所述引發(fā)劑為過硫酸銨(APS)、偶氮二異丁腈(AIBN)和過氧化二甲酰(BPO)的一種或以上，引發(fā)劑的用量在混合物料中的濃度為l.0mmol/L?3.0mmoI/L ；所述催化劑為N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺(TEMED)，催化劑用量占混合物料總體積的0.2%(V/V)?0.5% (V/V);所述的造孔劑為去離子水，造孔劑的用量占水凝膠總質(zhì)量的50wt%?95wt%0
[0015]上述方法中，升溫聚合時為聚合溫度在40°C?120°C，聚合時間在I小時?48小時。
[0016]為保證各物料的充分接觸和水凝膠各部位性質(zhì)的均一穩(wěn)定，所述的引發(fā)劑在實驗前需被分散成水溶液。所述的造孔劑為去離子水。在加入其它原料之前，造孔劑應(yīng)與單體充分混合成一均相體系。單體、造孔劑與交聯(lián)劑的比例決定了水凝膠的孔穴結(jié)構(gòu)和淡化海水的性能。本發(fā)明合成水凝膠所用的引發(fā)劑需制成10wt%的過硫酸銨水溶液，用量為加入反應(yīng)體系后過硫酸錢的濃度為1.75mM。
[0017]氯化鈉濃度標(biāo)定方法為離子色譜法，通過溶液中氯離子色譜峰面積與濃度成線性關(guān)系這一特性定量分析所得溶液中氯化鈉的濃度。
[0018]所述的水凝膠干膠先在海水中溶脹，隨后用一個活塞擠壓的裝置對吸收了海水的水凝膠進行機械擠壓，收集擠出液，即為經(jīng)過水凝膠淡化后所得到的淡水，再測試擠出液中的濃度即可。實際應(yīng)用中亦可直接用手擠壓吸收海水的水凝膠來得到淡水。
[0019]本發(fā)明產(chǎn)品水凝膠分子的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對鹽水中的離子水合物有一定的過濾作用，因此當(dāng)海水穿過水凝膠時，一部分離子水合物被水凝膠的孔阻攔，而水分子卻可以自由穿過，從而達到分離的目的。所述水凝膠可以處理總?cè)芙夤腆w(TDS)多35.0Og/L的海水或鹽溶液。整個吸收海水的過程由水凝膠對海水的吸引力提供驅(qū)動力，而且水凝膠可以循環(huán)使用，因此降低了能耗和成本，達到節(jié)能環(huán)保的要求。
[0020]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)所具備的優(yōu)點及有益效果:
本發(fā)明公開了一種可用于海水淡化的水凝膠，利用水凝膠孔穴對海水中離子有一定過濾和排斥作用這一特征，實現(xiàn)了用水凝膠代替半透膜進行海水淡化。水凝膠有很強的吸水性，這為海水被吸入水凝膠提供了動力，相比傳統(tǒng)的反滲透工藝需要3MPa?5MPa的高壓來提供過膜驅(qū)動力，該發(fā)明所述的方法能節(jié)約這部分的能耗。
[0021]本發(fā)明所得的水凝膠聚合物的交聯(lián)度以及制備過程中的單體占最終產(chǎn)品的重量參數(shù)對于產(chǎn)品的用于海水淡化其決定性的作用。
[0022]本發(fā)明所用的水凝膠達到人體直接接觸的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，同時淡化過程方便快捷，因此本發(fā)明所述的操作方法在有需要的情況下可以直接用手去擠壓水凝膠得到淡水，在諸如搶險救災(zāi)、長途航海、戶外探險等情況下可方便、快捷的從海水或苦咸水得到淡水，補充人體所需。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步地具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進行。
[0024]本發(fā)明實例中的海水由海水中的主要成分氯化鈉的水溶液代替，所用濃度為35.00g/L，但并不限于此。所選用的水凝膠為聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯-丙烯酸鈉、聚丙烯酸鈉和聚甲基丙烯酸羥乙酯-甲基丙烯酸。聚甲基丙烯酸羥乙酯中甲基丙烯酸羥乙酯的質(zhì)量分數(shù)分別為10wt%、15wt%、20wt% ;聚甲基丙烯酸羥乙酯-丙烯酸鈉中甲基丙烯酸羥乙酯的質(zhì)量分數(shù)分別為15被％和10wt%，丙烯酸鈉的質(zhì)量分數(shù)分別為5wt%和10wt%，即聚合后單體占水凝膠總質(zhì)量的20wt%。本發(fā)明所述的水凝膠并不局限于此。
[0025]實施例1
制備含15wt%甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)和5被％丙烯酸鈉(SA)的聚甲基丙烯酸羥乙酯-丙烯酸鈉(HEMA15/SA5)。稱取7.5g HEMA、2.5gSA和40g水，放置錐形瓶中均勻攪拌，然后依次加入150 μ I乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、200 μ I 10%過硫酸銨(APS)溶液和100 μ I N, N, N’，N’-四甲基乙二胺(TEMED)并混合均勻。將混合均勻的溶液轉(zhuǎn)移到模具中，并將模具至于恒溫器中，在30°C下恒溫聚合3小時后再在75°C下恒溫聚合24小時，然后將聚合好的水凝膠用去離子水充分洗凈，再置于冷凍干燥機中在_45°C冷凍干燥24小時，即得到本發(fā)明所述的水凝膠。將水凝膠放到海水中溶脹之后擠壓，經(jīng)測試擠出液中氯化鈉